在过去几年中，电子显微镜在其分辨率和从图像中所取得的信息数量两方面取得的进步，大大扩大了它们在化学研究中的应用。技术上现在已能制造出图像的分辨率接近原子间距的透射电子显微镜。事实上，对凝聚体中原子的分辨看来是指日可待了。现在甚至给单个隔离开的重原子照相都成为可能的事，而且能够分析大小几立方埃空间内的化学成分，甚至均匀光滑的表面也能产生明显的对比。
同时，扫描仪器的发展，提高了化学家检测极少量物质、获得有关晶体结构和缺陷三维信息、观察表面形貌细节、考察催化剂结构，和探测生物分子构造的能力。这些能力随着扫描透射电子显微镜（它把透射与扫描和分析系统相结合）的发展得到了提高。
这些发展具有相当大的化学意义。无论化学家们在什么领域工作，他们都会碰到固体状态的物质，因为绝大多数元素乃至较大部分化合物在正常条件下都是固体。
高分辨状态下的表面
表面上的形貌细节分辨已是几世纪以来显微学的目标。但是光学显微镜有限的景深除最低放大倍数以外是一个妨碍性因素。二十世纪五十年代初期当剑桥大学的Charles W. Oatley和他的学生研制了表面扫描电子显微镜时，这个问题才得以解决。
在这种仪器中，一束准确聚焦的电子束在试样表面上扫描，产生一种来自初级背散射电子或从表面发射的二次电子信号。这种信号用来调制阴极射线管的强度以形成同步扫描图像。电子与仪器的光轴所构成的小角度是造成扫描电子显微镜大量深的原因，它可以是光学显微镜的几百倍。
用常规的热钨丝电子源，扫描电子显微镜的分辨率大约是100 ~ 200?。较新的电子源，如热六硼化镧或冷场致发射，表面细节的分辨率达到20 ~ 30?。分辨率被限制在这样的水平，主要由于电子穿透到试样表面以下产生的电子束与试样相互作用以及表面不够清洁。因为这些装置的大部分不是在超高真空（＜10-8乇）下工作的。
表面扫描电子显微术产生容易解释的表面形貌像。而其它电子光学方法也可给予表面信息。采用超高真空系统（＜10-9乇）和就地镀膜的办法，表面形貌能够根据透射和反射两种方法用一台透射电子显微镜成像。
透射电子显微术一般产生投影像，在图像中薄试样的所有深度都同时处在焦点上。这一点通常使得只与表面特性有关的判断发生困难。然而，1974年牛津大学的David Cherns对那些通常不能观察的衍射斑点，用暗视场显微术在金薄膜中摄取了表面阶梯像。
在这种清洁环境中，可观察就地蒸镀银的单晶上的单个表面台阶。同一技术还可用于显示第二相在原子突出处的成核。在一定条件下，清洁表面上的一些单原子层的碎片可以直接在透射电子显微镜中成像。
用反射电子显微术摄取的表面图像也能够在带有特殊试样台的透射电子显微镜中完成。这种方法也是Yagi等人在研究。晶体试样放在反射电子衍射图像产生强激发的布拉格斑点的角度上，然后在显微镜的荧光屏上能够观察到晶体表面透视收缩的反射电子像。此外，一个超高真空的试样环境对观察清洁表面是必不可少的。
五十年代由宾夕法尼亚州立大学Erwin W. Müller研制的场离子显微术是以原子分辨率观察表面的第一个方法。在场离子显微术中，不使用透镜，试样本身是发射源，辐射出离子。试样是一金属单晶的非常锐利的尖端，置于超过108伏特/厘米的电场及超高真空中。成像气体，通常是一种诸如氖或氦的惰性气体，通入试样区域，在试样表面场中，每一个原子上已被提高的电位使气体原子电离，气体离子以直线打在处于地电位的荧光屏上。荧光屏上的图像显示出原子平面、晶体缺陷和杂质原子。诸如重整催化剂那样一些物质的表面也能在高分辨率下成像。从表面场致蒸发的离子可以在一种称作原子探针的仪器中用质谱仪分析。
在电子显微镜中详细考察有载体的金属催化剂历来是困难的。因为活性催化剂的颗粒很小，金属催化剂颗粒和载体之间的反差往往很低。而且要知道在显微镜中观察到的催化剂图像与实际参加化学反应的催化剂的关系是不容易的。
扫描透射电子显微术
由芝加哥大学Albert V. Crewe研制的场发射枪扫描透射电子显微镜基本上解决了前两个问题。
在扫描电子显微镜中，一束聚焦很细的电子束从试样上的一点移到另一点，形成一幅类似于电视图像的扫描场图案。在扫描透射电子显微镜中，有关试样的信息是通过对电子束与试样中的原子和分子碰撞遭到扰乱的仔细分析而获得的。电子损失的能量表示它们的激发能，并且是重要的光谱学信息。无能量损失的散射电子数目是试样质量厚度的量度。试样中的原子还发射特征X射线和二次电子。在扫描透射电子显微镜中能够测量电子束与试样之间碰撞的各方面的情况，并且能够从这些测量中作出有关照射区域化学结构的强有力推断。
大约十年以前，这类仪器是给出单个原子清晰透射图像的第一种仪器，它把人们引进到应用电子显微镜分析原子大小物质的时代。
在扫描透射电子显微镜中，电子束源是场发射电子枪，使电子聚焦成一小点，其中的电子比常规扫描电子显微镜热钨丝源所可能有的要多几百倍。可以用-5?的电子束产生扫描图像。在同一试样上的图像分辨率相当于一台高分辨透射电子显微镜。
此外，可同时收集几种扫描信号，从而可提高图像的某种特征对比度。如果用以形成图像的信号是收集在一个环形电子检测器上的暗视场信号（它没有非散射电子束）除以聚集了已损失约20 eV电子能量的明视场信号（它包括非散射束），则得到的图像对试样原子序数要比对厚度变化灵敏得多。使用这种比例成像技术时，剑桥大学的Archibald Howie和他的同事们指出，像10?那样小的钯微粒能够与它的载体区别开。
近年来已开始系统地研究催化剂颗粒的结构与实际化学反应的关系。由于电子显微镜是在高真空下工作的，必须在一个特殊的差分泵浦气体反应试样台中观察试样，或者对比观察反应前与反应后的试样。反应后微粒直径变大了，但高度变小了，钴浓集于暗芯，而铑浓集于外壳。这种表面浓集效应能强烈地影响用于自动催化转化器和工业过程中的催化剂性能。显然，从应用电子显微术的系统研究中能够获得有关催化剂的重要资料。
生物电子显微术
电子显微术从一开始就对生物科学有较大的影响。它将病毒、线粒体、染色体、细胞膜和核糖体的构造揭示得极为详细，其特色甚至是光学显微镜工作者无法想象的。二次世界大战后的二十年间，实际上每一种细胞都用电子显微镜检查过、为生物学家展现了如此满意的前景，以致很少有人停顿下来去考虑他们的工具和方法的局限性。然而，直到六十年代中期，才逐渐认识到仪器和制备是不完善的。
细胞由细胞膜、丝状体和颗粒组成，它们都是许多分子的复杂集合体。然而，它们的分子组织状况不能在电子显微图片中识别，分子分析和细胞结构之间的桥梁未能建立起来。
现代生物学家怎样才能阐明细胞中所看到的具有广泛结构的分子基础呢？波士顿，伊利沙白医院的Carl Cohen、哈佛大学的Daniel Branton和亚伯达大学Jonathan Tyley近期的工作指出了方向。他们分析了红血细胞中质膜内表面切片的细胞骨架结构。这些纤维状结构被认为是控制细胞的形状和弹性的。显微图片显示了一个分子与另一个分子结合的部位。这样的研究阐明了相互作用的分子是如何构成整个集合体的。
这些方法大约可分辨20或30?，但不能再低了，尽管仪器具有分辨类似于原子大小的能力。
第一，含水的生物试样，当置于电子显微镜的真空中时，就干燥和失水，造成结构上不可预测的畸变。然而，近来已证明，快速冷却可保持蛋白质结晶。
电子显微术中第二个重要的误差是伴随试样照射时带来的化学损伤。斯坦福大学的Nigel Unwin和剑桥大学的Richard Henderson研制了一种避免这个问题的巧妙方法。在一篇关于盐生盐杆菌（Halobacterium halobium）细菌薄膜的著名论文中，这些研究者指出，对整齐排列的相同分子组成的系统进行显微术观察，能够在剂量足够低以保持损伤在允许范围以内的情况下完成。他们发现，为了避免电子束损伤造成的假象，对生物分子来说，剂量必须保持在每平方埃一个电子以下。
许多重要的生物分子太大而不能结晶。为了对这些分子减少照射损伤，将它们冷却到接近液氦温度。在这样的温度下，它们耐辐射的能力大概要大两个数量级。这个重要的结果促使分子学生物实验室的显微镜构造的改进。
直到现在，Unwin和Henderson的方法只用于测定试样中的质量分布。在许多问题中，必须确定生色团的位置；这时，电子能量损失谱可能是重要的。或许也可以使用低剂量显微术和适当的分光谱仪来进行。这样，细菌视紫素中的生色团就可能被测定，在结晶中每一个原子也许都能被识别。
甚至在非晶型试样中，元素鉴定的灵敏度也可能提高到恰好一个原子！只要原子能够保持在聚焦电子束照射区域以内，终会有足够的X射线或能量损失信息能够被收集来进行明确的鉴定。对试样稳定性的严格要求则不妨通过冷却到接近0 K来达到。
用重原子标记
扫描透射电子显微镜能够使单个原子成像的生物学上的重要应用现在正在发展。用电子显微术能够发现与高分子中特别感兴趣的化学基团结合的重原子，或者与高分子组合物中特别的高分子结合的重原子，从而能推断化学基团或标记高分子的位置。
例如，通过这些方法能够确定组蛋白在核酸体中的位置：附加铂原子于染色质上，分离这些组分，然后使核酸体与一或二个标记的组蛋白及未标记的剩余物重新聚合来做到这一点。通过检查这些部分标记的核酸体就能确定组蛋白的位置。
在生物学的许多领域也迫切需要一种方法来探测细胞中各部位的化学元素和分子种类。当一电子束强烈地激发原子时，原子会发射特征X射线，因此能够在一电子显微镜中鉴别这种原子。此外电子束的能量损失可以在一台谱仪中测量，从而也能识别元素或化合物。
甚至微小的扩散性离子也能被定位。例如，细胞组织能够被快速冷冻以阻止扩散，并在显微术检测期间保持冷冻。应用这个方法，证明受刺激的肌质网状组织的末端沟槽中的钙离子含量降低了。着重说明钙离子在引起肌肉收缩中的关键作用。具有一定结构的核酸可通过磷的特征能量损失来识别。
分析电子显微术
研究固体的化学家敏锐地意识到固体的显微结构与特性之间的复杂关系。高分辨分析电子显微术是为这种显微结构分析发展起来的最新和最尖端的方法。这种方法的关键是在高分辨条件下既分析固体的元素组成，又分析它的结构。
在这方面，高分辨有两个重要的优点。第一，固体的结构以及固体中如位错或内部界面那样的结构缺陷可通高分辨像或高空间分辨率的微光束衍射来检查。第二，可直接测量非均相固体中（比如细晶粒多晶试样中或处于析出反应早期的固体中）微区域内的元素组成。
尽管分析电子显微术基本上是简单易懂的，但它的某些细节却是复杂的。当一束高能电子束（ ~ 100 kV）照射在试样上时，发射一些能够被检测和用于结构及元素分析的信号。这些信号产生于弹性和非弹性散射的透射电子、特征X射线、背散射电子和二次电子。来自于样品一个微区的所有这些信号能够同时于一台单一的仪器中被收集，以便进行其结构和成分的高分辨分析。
弹性散射电子被电子装置或照相胶片收集以形成试样结构的常规透射图像和微光束衍射图像。由于透射束中非弹性散射电子已损失能量给试样，透射束中能量的分布（电子能量损失谱）直接反映试样中元素的组成和键合。所发射的X射线谱也是试样组成的特征。这两种谱是互相补充的。试样表面的图像能够由背散射电子或二次电子形成，或者在应用特定的实验方法时能够由透射的弹性或非弹性散射电子形成。
分析电子显微镜通常是下列两种类型中的一种：或者是一台透射电子显微镜带有扫描附件，能形成固定的电子束图像或扫描图像；或者是一台仅仅形成扫描图像的扫描透射电子显微镜。
分析电子显微镜和常规电子显微镜的物镜和真空系统也有着重要的差别。分析电子显微镜的物镜是它最关键的组件之一。它必须执行两个功能：形成一幅高分辨图像和聚焦一束细小的电子探针于试样上。此外，透镜在几何位置上必须容许X射线谱仪放置在试样附近。
两类谱仪的数据通常都用多道分析器来收集，且可以直接储存入与分析电子显微镜连接的微型计算机中。供数据收集和仪器控制的计算机具有很多优点，今后很可能不断增加。
试样上方的电子束偏转线圈或者形成高分辨透射型的，或者形成试样表面的扫描图像和衍射图像。大多数先进的分析电子显微镜采用场发射电子源，因为它们在细小的入射电子束中产生最高的电子流密度而用于微区分析、微光束衍射和高分辨扫描透射成像。另一些人认为，在微光束衍射和微区分析中，为了得到最好的空间分辨率场发射同样是必需的。
常规电子显微镜通常在约10-5乇真空中工作，符合现代工艺规范的分析电子显微镜电子枪室约10-9乇，而试样室在10-6乇的真空中工作。先进的仪器至少在比这水平低一个数量级的真空中工作。
分析性能水准
尽管分析电子显微镜是一种复杂的设备，但这种仪器设计得好，它能以很高的速度得出结构分析数据。
由于设计这些仪器是为了能从被辐照的试样中获得许多不同的信号，就自然地提出一个问题：与为某些特殊功能而设计的单一用途的仪器相比，分析电子显微镜的每种操作方法所能达到的性能有多高？
也许最好的例子是图像分辨率，因为电子显微镜从一开始就是高分辨成像的仪器。一台符合现代工艺规范的分析电子显微镜产生的透射图像在电子光学放大倍数为300，000 ~ 500，000倍时，两点间的分辨率约4.5?，试样倾斜能力为±45°。先进的装置，试样倾斜范围±20°和放大倍数达到800，000倍时，将产生约3?的点分辨率。最先进的高分辨电子显微镜在200 kV，试样倾斜±10℃时将产生约2.5?的点分辨率。
因此在一台分析电子显微镜中，图像性能仅稍微降低一点，却增加了试样倾斜范围。后一点不应当被忽视。一帧高分辨图像或衍射图像的出现完全依赖于入射电子束相对于晶轴的方向。而且电子束在晶体中的方向对微区分析同样有着重要的影响。为了获得预期结果，高性能的倾斜台是必不可少的。
在微光轴衍射和微区分析中所能达到的空间分辨率既依赖于仪器结构和工作参数，也依赖于试样。在最佳条件下，亚利桑那大学的Cowley及其部分同事从直径小于5?的晶体范围内获得了会聚微电子束衍射图像。许多研究者也从直径约100?的完整晶体中获得了衍射图像。至今，在其他显微分析中所获得的空间分辨率要稍微低一些。从直径500?的试样区获得显微分析结果是比较容易的。
一些研究证明，为了得到最好的分析结果，用于电子能量损失谱微区分析的试样局部厚度应限制在500?以下。在分析电子显微镜中使用的试样究竟应该多薄，关于这一问题已有一些热烈的讨论，但仍未获得定量的结论。然而，事实上，适合于空间高分辨率显微分析的试样厚度似乎接近于定量高分辨成像所需要的同样小的数值（对大多数试样大约400?或更小），任何适合于高分辨成像的试样多半都适用于高分辨分析电子显微术。
试样中处于自由态或被微弱散射的基体包围的地方，能够容易地测定10-18克物质，在最佳实验条件下，也可能检测比这小几个数量级的物质。
当被检测的物质分散在一种可产生特征X射线或能量损失信号的基体中时，情况要困难得多。
周围的基体产生一种背景（完全取决于原子序数），它使有关元素可检测质量分数发生变化。其他的实验参数，如仪器的加速电压和操作方式，也影响结果。在典型的实验条件下，分散在中等或低原子序数的基体中的0.1 ~ 3%的有关元素可被检测。降低基体原子序数往往会导致较高的灵敏度。
高分辨透射显微术
在空间和时间上的模型结构是材料研究的传统化学方法。反应试剂、中间体和产物都是依它们的原子构型和排列（化学键），以及它们如何依时间而变化来表示的。在固体中，这一点有着特别重要的意义，因为人们都是按照所给予的结构来表示变化着的原子关系的。如果结构和结构变化能够直接追踪到原子水平上，则复杂的化学就能够理解了。在这个意义上，具有分辨原子能力的高分辨透射型电子显微镜是最优良的化学手段。然而，只有当与其他技术结合起来使用时，它才是最强有力的工具。
高分辨电子显微镜的极大优点是能解释许多现象的能力，这些问题是许多常规结构方法（如X射线或中子晶体学及其它光谱法）所不能及的。X射线结构分析通过倒易空间（即傅里叶空间或衍射空间）来进行，X射线不易聚焦。因此，应用它们来获得直接的真实空间图像是不可能的。很明显，乂射线晶体学需要记录大量衍射束的强度，然后，将它们用数值方法或计算机方法综合起来以产生三维结构图像。另一方面，高分辨电子显微镜在真实的空间工作，显微镜自动地进行傅里叶合成。这种显微镜需要很薄的试样，厚度最好在10 ~ 100?之间。通过切片、解理，或通过离子轰击来制备。一般采用100 ~ 500 kV电压（波长0.037 ~ 0.014?）来加速电子束。
由这种显微镜所产生的图像的解释的可靠性，通过对比仪器观察到的图像与计算所得的图像来检查。后者考虑了电子的多次散射和电子透镜的球差和像差。图像细节方面的变化可以作为试样厚度、电子波长和透镜特性的函数来计算，然后与实验观察到的进行比较。
当高分辨电子显微镜用于比最佳试样特性差的情况时（如试样太厚或晶胞太小时），则所观察到的图像与用各种方法计算得到的图像之间的比较就变得愈加重要。亚利桑那大学的Cowley和Snmio Iijima最先将这个方法发展到现有的水平。只有当试样的极特殊的状况与显微镜的工作条件一致时，图像的直观解释才是可能的。
用于计算晶体图样的计算机程序是建立在n光束动力学衍射理论基础之上的。这一理论为电子多次散射所必需，由Cowley和澳大利亚，墨尔本联邦科学和工业研究机构（CSIRO）的Alee Moodie所提出。这种计算机已经发展到一个很高的程度并容易弄到。亚利桑那州的Adam Rae Smith应用牛津大学Jerry Skarnulis从这个理论发展起来的基本程序研制了专用的计算机系统，它能由大量模型计算并显示图像和经过数字化处理的实验图像作比较。
晶体结构
应用高分辨电子显微镜，其技术的独特本领之一就是它能显示晶体局部区域的结构和组成的细节。这本身又提供了对晶体不完整性的认识。完整晶体结构的这种局部变态是化学变化的基础。选区衍射或微光束衍射与高分辨成像相结合可以揭示只含有几个或几排原子的局部原子排列。
高分辨电子显微术在测定晶体结构和鉴别新结构方面也是有用的。电子的散射因子大约是X射线的一千倍，能够很快地从非常小的试样中获得结构上的信息。现在，在最极端的条件下能够从直径5?的晶体范围内获得。这在分析微量夹杂或显微结构方面可能是极为重要的。
尽管应用高分辨电子显微镜来直接进行空间结构分析不一定是最好的方法，但有时却别无他法。比如，亚利桑那州这个方法已用于研究稀土氧化物的同系物RnO2n-2。在结构上纯中间相的结构测定问题用X射线和中子衍射是难于对付的，但是中间相的单胞与结构都已用高分辨电子显微镜来测定了。这个系列的结构特点是含有一定的氧空位夹层。同系物的各成员的差别在于这些夹层的间距，并且，奇数和偶数成员形成分立但相关的系列。
在许多其他情况下，当不同结构在极小范围的共生妨碍了X射线或中子衍射的有效应用时，用选区电子衍射花样、聚焦束电子衍射和高分辨透射电子显微术测定了其结构。
剑桥大学应用高分辨电子显微镜发现了一种新型石墨夹层结构，由客体物种嵌在一定的层间间隔的双层组成。三氯化铁夹嵌到石墨中就是一个例子。通过这个方法已揭示了许多其他完全新型的结构。合适的例子包括三链、四链和其他多链硅酸盐。这些可以作为一种体积缺陷或作为一种分立的、性质不同的结构存在于另一种主体结构（如闪石）中。
沸石 - y的双晶变体（在石油工业中作为裂解催化剂、具有工业意义的基本合成物质 -faujasite），乍一看好像是一种由确定双晶薄层的两镜面组成的一种普通结构缺陷，已知双晶薄层存在于结晶质固体中一个世纪以上，但是剑桥大学近来的工作揭示出，在［111] 上的双晶可能是周期性发生的，换句话说，双晶平面的规则排列是沿着［110] 方向分布的。这种周期性发生的双晶产生一种新型结构。类似的结构变化也可能出现在其他物质中。
—旦在最适宜的条件下确定了一组结构的特征，在显微镜旋钮调整位置和试样厚度不太合需要的情况下也能辨认它们。通过它们的对称性、干涉条纹、空间排列和角度可清楚地揭示它们的本性。
高分辨电子显微镜的信息同样成功地用来阐明像沸石一类半结晶态物质，以及非化学计量状态的本质和有序或无序排列。它们也可用来鉴定天然和合成晶体中的共生相，在测量上它们要比X射线衍射技术精确得多。
[Chemical & Engineering，1981年8月]